滿(mǎn)足未來(lái)廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油車(chē)可變氣門(mén)傳動(dòng)方案

【德】 M.ELICKER W.CHRISTGEN J.KIYANNI M.BRAUER

關(guān)鍵詞：排放標(biāo)準(zhǔn);柴油機(jī);可變氣門(mén);傳動(dòng)方案

0 前言

到2030年底，與2020年全球統(tǒng)一的輕型車(chē)試驗(yàn)循環(huán)（WLTC）所設(shè)定的基準(zhǔn)排放值相比，由汽車(chē)所產(chǎn)生的CO2 排放必須減少37.5%。因此，柴油車(chē)廢氣后處理系統(tǒng)將面臨一系列技術(shù)挑戰(zhàn)。在所有邊界條件和行駛狀況下，特別是在低環(huán)境溫度和低負(fù)荷工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)能迅速預(yù)熱并維持較高溫度，這是當(dāng)前柴油機(jī)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)必須實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行，并相應(yīng)降低熱量的損失，同時(shí)應(yīng)適用于較長(zhǎng)的行駛里程。這與燃油耗有著密切聯(lián)系。

先前的試驗(yàn)表明，研究人員借助于可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)，通過(guò)二次排氣門(mén)升程（SEVL）、內(nèi)部廢氣再循環(huán)（iEGR），與進(jìn)氣門(mén)早關(guān)（EIVC）等方案[1-3]相結(jié)合，對(duì)廢氣溫度實(shí)現(xiàn)了有效管理。目前，為對(duì)之前的整車(chē)試驗(yàn)進(jìn)行補(bǔ)充，研究人員針對(duì)行駛循環(huán)開(kāi)展了一系列后續(xù)試驗(yàn)。研究人員在捷豹路虎公司量產(chǎn)的AJ200D系列發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上，選取了1款排量為2.0L的4缸柴油機(jī)作為試驗(yàn)車(chē)輛。其特性數(shù)據(jù)如表1所示。

在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上，研究人員針對(duì)配備有柴油機(jī)氧化催化轉(zhuǎn)化器（DOC）和柴油機(jī)顆粒過(guò)濾器（DPF）的廢氣后處理系統(tǒng)開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)。為了進(jìn)一步標(biāo)定配備有2 種先進(jìn)廢氣后處理設(shè)備的選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)，研究人員運(yùn)用Exothermia/AxiSuite廢氣后處理模擬軟件進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)中所應(yīng)用的AxiSuite廢氣后處理模型在現(xiàn)有系統(tǒng)上進(jìn)行了標(biāo)定，并說(shuō)明了雙SCR系統(tǒng)的功能。布設(shè)于地板下方的SCR 系統(tǒng)配備有尿素計(jì)量裝置，因此可以將汽車(chē)最終尾管氮氧化物（NOx）排放量作為目標(biāo)值，并整合到到標(biāo)定過(guò)程中。

在IAV 公司的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上，試驗(yàn)車(chē)輛與“北極熊”空調(diào)裝置相結(jié)合，可同時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境、進(jìn)氣空氣、冷卻水和發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度，并可將其最高溫度調(diào)節(jié)至-7℃（圖1）。

1 可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)

研究人員將試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的量產(chǎn)氣門(mén)機(jī)構(gòu)（雙頂置凸輪軸-搖臂傳動(dòng)機(jī)構(gòu)）更換為配備有新凸輪軸的eRocker系統(tǒng)（圖2），且進(jìn)排氣門(mén)升程都可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。eRocker系統(tǒng)是1款能使電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)不連續(xù)轉(zhuǎn)換的搖臂系統(tǒng)，它由執(zhí)行器、執(zhí)行器壓板和轉(zhuǎn)換搖臂3個(gè)核心部件組成。當(dāng)執(zhí)行器通電時(shí)，執(zhí)行器銷(xiāo)壓在相應(yīng)的執(zhí)行器壓板上并進(jìn)行移動(dòng)，從而使執(zhí)行器壓板的鋼板彈簧與轉(zhuǎn)換搖臂的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)共同作用，激活排氣門(mén)的雙升程功能。詳細(xì)的系統(tǒng)描述可查閱參考文獻(xiàn)[1-5]。

在排氣門(mén)側(cè)，研究人員通過(guò)排氣門(mén)升程組Ⅰ和排氣門(mén)升程組Ⅱ的選擇控制來(lái)實(shí)現(xiàn)多級(jí)iEGR控制。此外，研究人員還使用了1個(gè)雙銷(xiāo)執(zhí)行器和1個(gè)由2部分組成的執(zhí)行器壓板，該壓板可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)移動(dòng)，也可以將2部分壓板一起移動(dòng)。試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣門(mén)側(cè)同樣也采用了由進(jìn)氣門(mén)升程組Ⅰ和進(jìn)氣門(mén)升程組Ⅱ選擇控制的方案，但在本文介紹的試驗(yàn)中沒(méi)有使用，因?yàn)樗冀K只在基本升程與EIVC之間轉(zhuǎn)換。試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的eRocker機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖解，以及氣門(mén)升程曲線和聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖3所示。

2 氣門(mén)升程曲線

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣門(mén)升程曲線設(shè)計(jì)是借助于GT-Suite軟件中的一維（1D）模擬進(jìn)行的[3]。氣門(mén)升程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是標(biāo)定的試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)GT-Suite模型，eRocker系統(tǒng)通過(guò)2 個(gè)有選擇性打開(kāi)的排氣門(mén)上的SEVL實(shí)現(xiàn)了iEGR 的4級(jí)調(diào)節(jié)過(guò)程（無(wú)、低、中、高），同時(shí)進(jìn)氣門(mén)升程可從量產(chǎn)的基本升程轉(zhuǎn)換到EIVC。實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣可變性的目的是減少部分負(fù)荷范圍內(nèi)的充氣量和減少節(jié)流損失，有利于廢氣后處理裝置的有效加熱。

就試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)而言，其有效升程范圍為0.9～2.0mm。研究人員采用升程高度為0.9mm 的SEVL時(shí)，只能通過(guò)增加進(jìn)氣節(jié)氣門(mén)（IAT）才能達(dá)到必要的iEGR率，這與使用進(jìn)氣節(jié)氣門(mén)的傳統(tǒng)加熱方式相比，在燃油耗方面幾乎沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。研究人員采用升程高度為2.0mm 的SEVL時(shí)，將會(huì)使4缸發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣管產(chǎn)生不必要的廢氣回流，并且由于iEGR率較高，限制了其運(yùn)行范圍。升程高度為0.9mm 和1.5 mm 的SEVL組合是用于試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳方案，該方案可實(shí)現(xiàn)預(yù)期范圍內(nèi)的iEGR率，且無(wú)須附加進(jìn)氣空氣節(jié)流。因此，研究人員可以將iEGR 用于負(fù)荷區(qū)域，使平均有效壓力pme為0.40 MPa。研究人員同時(shí)使用2種SEVL曲線，則可達(dá)到的最大SEVL升程高度為2.0mm。

對(duì)于進(jìn)氣側(cè)，EIVC升程的目標(biāo)調(diào)節(jié)寬度為90°CA。一方面發(fā)動(dòng)機(jī)充分減少了燃油耗;另一方面由于減小了有效壓縮比，壓縮溫度和壓縮壓力不會(huì)下降過(guò)多，使發(fā)動(dòng)機(jī)在以熱機(jī)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)有足夠?qū)拸V的運(yùn)行范圍和穩(wěn)定的點(diǎn)火條件。圖4示出了氣門(mén)升程曲線。

3 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

整機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)是在3種不同的溫度邊界條件和3個(gè)具有代表性運(yùn)行工況點(diǎn)進(jìn)行的（表2、表3）。怠速運(yùn)行工況點(diǎn)代表了在使用配備有液力變扭器的變速箱時(shí)的汽車(chē)停車(chē)狀態(tài)。中等運(yùn)行工況點(diǎn)代表了在低負(fù)荷下汽車(chē)的行駛狀況，該工況在城市駕駛模式中的時(shí)間占比較高。極限運(yùn)行工況點(diǎn)代表了使用主動(dòng)加熱措施的負(fù)荷上限，該工況在典型的城市行駛工況中也較為常見(jiàn)。試驗(yàn)所選擇的溫度邊界場(chǎng)景包括了夏季和冬季條件下冷起動(dòng)后的廢氣后處理系統(tǒng)加熱過(guò)程，以及發(fā)動(dòng)機(jī)在以熱機(jī)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)須維持一定的溫度。在溫度低于0℃時(shí)，試驗(yàn)車(chē)輛在試驗(yàn)時(shí)需要配裝“北極熊”空調(diào)裝置。

在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行過(guò)程中，研究人員定義了中止運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)，包括了不完全燃燒有害物的排放限值，以及因燃燒的不穩(wěn)定性而得到的平均指示壓力偏差值。相關(guān)限值和標(biāo)準(zhǔn)如下：CO限值為3000×10-6，碳?xì)洌℉C）限值為1000×10-6，炭煙煙度（FSN）為3.5，平均指示壓力的標(biāo)準(zhǔn)偏差（σpmi/σmi）為3%。圖5示出了穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下的測(cè)量結(jié)果，即在各種不同試驗(yàn)運(yùn)行工況點(diǎn)和不同渦輪后廢氣溫度（T4）下的有效比油耗（BSFC）。所有的可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)的廢氣溫度管理策略始終與IAT溫度變化和后噴射（PoI）溫度組成的參考加熱措施進(jìn)行比較。

在冬季加熱條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)不能采用EIVC運(yùn)行，而應(yīng)采用iEGR 和PoI的組合方式來(lái)降低CO 和HC的排放。該方案與采用IAT和PoI的傳統(tǒng)加熱策略相比，可使BSFC減少9%。

在夏季加熱條件下，SEVL 與EIVC 相組合的運(yùn)行模式所起到的效果較為有限。在邊界條件下，高溫iEGR無(wú)法再補(bǔ)償EIVC 引起的點(diǎn)火條件惡化現(xiàn)象。如果采用SEVL與EIVC的組合，發(fā)動(dòng)機(jī)將表現(xiàn)出燃燒不穩(wěn)定、燃油轉(zhuǎn)化率低、CO 和HC排放高、無(wú)BSFC優(yōu)勢(shì)等現(xiàn)象。另一方面，在CO 和HC排放不變、相同的NOx 排放和較低的炭煙排放情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)采用SEVL與PoI的組合方式，與傳統(tǒng)的加熱策略相比，可使BSFC減少11%。

在保持一定溫度的條件下，根據(jù)不同的運(yùn)行工況點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)EIVC、SEVL與PoI的組合，渦輪后廢氣溫度T4 可在不顯著增加燃油耗的情況下提升82K。在平均有效壓力pme為0.20MPa的負(fù)荷條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)EIVC減少充液量是可行的。在相同的T4 條件下，該方案與傳統(tǒng)的加熱策略相比，可使BSFC減少8%。根據(jù)所選擇的廢氣溫度水平的不同，BSFC也顯著低于不采用加熱措施的基準(zhǔn)點(diǎn)。以可比較的BSFC和相同的NOx 排放水平為基準(zhǔn)，研究人員發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的炭煙、CO和HC排放并沒(méi)有增加或僅出現(xiàn)極小的增加現(xiàn)象[3]，這取決于不同的運(yùn)行工況點(diǎn)。

4 行駛循環(huán)

研究人員將特定的低負(fù)荷試驗(yàn)循環(huán)U1作為行駛情況對(duì)照，它具有典型的城市行駛特性。表4示出了U1試驗(yàn)循環(huán)與WLTC行駛工況的比較。研究人員選擇了1款空載質(zhì)量約為1800kg的D級(jí)汽車(chē)作為試驗(yàn)的基礎(chǔ)車(chē)型。WLTC行駛工況的第1階段至第2階段前580s的行駛過(guò)程代表了典型的城市行駛工況，其平均速度為19km/h的車(chē)速略高于目前真實(shí)行駛排放（RDE）法規(guī)中城市行駛所要求的最低車(chē)速（15km/h），試驗(yàn)車(chē)輛的加速度也處于目前RDE 法規(guī)的有效范圍內(nèi)。為了滿(mǎn)足RDE法規(guī)所規(guī)定的16.0km 的行駛里程，試驗(yàn)車(chē)輛在WLTC行駛工況的第1階段必須連續(xù)行駛5次，此時(shí)U1試驗(yàn)循環(huán)下的平均速度為17km/h，呈現(xiàn)出略高的動(dòng)態(tài)性能。盡管有較小的差異，但U1試驗(yàn)循環(huán)與WLTC行駛工況的第1階段還是具有可比性，代表了城市行駛的低負(fù)荷場(chǎng)景。因此，基于U1試驗(yàn)循環(huán)的試驗(yàn)結(jié)果也可與文獻(xiàn)[1]的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。在該文獻(xiàn)所描述的試驗(yàn)中，研究人員借助了WLTC行駛工況第1階段的1D 模擬來(lái)研究可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新加熱策略的潛力。圖6示出了U1試驗(yàn)循環(huán)的速度譜線。研究人員將U1試驗(yàn)循環(huán)分為2個(gè)階段進(jìn)行試驗(yàn)。在前半個(gè)循環(huán)長(zhǎng)度為8km 的行駛里程中，研究人員對(duì)廢氣后處理系統(tǒng)進(jìn)行了主動(dòng)加熱，加熱時(shí)間至第2個(gè)1730s為止。后半個(gè)循環(huán)代表了試驗(yàn)車(chē)輛持久的低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，研究人員從第2個(gè)1730s起保持廢氣后處理的系統(tǒng)溫度。

5 行駛循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

在行駛試驗(yàn)循環(huán)的測(cè)量框架內(nèi)，研究人員需要考察以下4種運(yùn)行策略：（1）無(wú)附加加熱措施的基本型（不加熱的基本型）;（2）IAT和PoI組合的傳統(tǒng)加熱方案;（3）iEGR（SEVL）與IAT 和PoI（SEVL）的組合方案;（4）SEVL、EIVC、IAT 和PoI（SEVL+EIVC）的組合方案。

穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)的結(jié)果為發(fā)動(dòng)機(jī)在瞬態(tài)運(yùn)行中應(yīng)用各種運(yùn)行策略奠定了基礎(chǔ)，并確定了SEVL 和SEVL+EIVC運(yùn)行策略在發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線場(chǎng)中的應(yīng)用范圍。為了能公平比較所有運(yùn)行策略，試驗(yàn)必須滿(mǎn)足以下標(biāo)定條件：（1）所有4種運(yùn)行策略具有相同的NOx 原始排放水平;（2）所有加熱策略（傳統(tǒng)加熱、SEVL 和SEVL+EIVC）具有可相比較的T4 水平。

上述的標(biāo)定條件都可用于比較廢氣后處理系統(tǒng)的脫硝效率，并使得汽車(chē)尾管的NOx 排放水平也具有可對(duì)比性。發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣后處理系統(tǒng)經(jīng)加熱、維持溫度及整個(gè)行駛循環(huán)范圍的汽車(chē)尾管NOx 的排放目標(biāo)值，是根據(jù)現(xiàn)行NOx 限值為80mg/km 的廢氣排放法規(guī)來(lái)制定的。為此，研究人員必須降低發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx 原始排放并提高廢氣溫度。對(duì)于所有循環(huán)試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)都在溫度為20℃的條件下進(jìn)行冷起動(dòng)（圖7）。

試驗(yàn)結(jié)果表明，廢氣溫度管理有利于降低NOx 排放。在所有溫度邊界條件下，與未采用加熱措施的基本型相比，加熱措施提高了廢氣后處理系統(tǒng)的脫硝效率。因此，汽車(chē)尾管的NOx 排放在加熱階段降低了18.3%，在保持溫度階段降低了41.5%。在整個(gè)行駛循環(huán)中，研究人員無(wú)須調(diào)整廢氣后處理系統(tǒng)就能使NOx 排放降低26.7%，而通過(guò)所有加熱措施達(dá)到的汽車(chē)尾管NOx 排放會(huì)略高于設(shè)定的NOx 排放目標(biāo)值（80mg/km），在加熱階段其目標(biāo)值可能會(huì)明顯降低。

這主要是因?yàn)榧訜犭A段達(dá)到的最高廢氣溫度使廢氣后處理的脫硝效率有所降低。發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)加熱后，其特性曲線場(chǎng)范圍內(nèi)的NOx 原始排放無(wú)法進(jìn)一步降低，因?yàn)榇藭r(shí)的NOx 排放已經(jīng)處于較低水平。

至于燃油耗，研究人員在所有溫度邊界條件下所采用的可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)加熱措施相比于傳統(tǒng)加熱的基準(zhǔn)加熱策略具有明顯優(yōu)勢(shì)。在保持溫度階段，發(fā)動(dòng)機(jī)采用SEVL+EIVC策略的燃油耗甚至比發(fā)動(dòng)機(jī)采用未加熱基本型策略的燃油耗更低，其節(jié)油效率比傳統(tǒng)加熱的運(yùn)行策略節(jié)油效率高4.4%。導(dǎo)致上述現(xiàn)象的主要原因有：（1）較低的后噴射需求縮短了燃燒時(shí)間;（2）較低的進(jìn)氣節(jié)流減少了換氣損失;（3）通過(guò)降低有效壓縮比，減少了壁面熱損失。同樣，在降低燃油耗方面，SEVL運(yùn)行策略比于傳統(tǒng)加熱的運(yùn)行策略效果更佳，改善效果達(dá)2.4%。在加熱階段，發(fā)動(dòng)機(jī)采用SEVL和采用SEVL+EIVC的運(yùn)行策略差別不大，因?yàn)镋IVC僅會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度為70 ℃時(shí)被激活，在此之前這2種策略達(dá)到的效果是相同的。

此外，高溫iEGR 在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，SEVL 和SEVL+EIVC加熱方式的應(yīng)用可使HC和CO 原始排放具有顯著優(yōu)勢(shì)。因此，加熱階段與傳統(tǒng)加熱相比，發(fā)動(dòng)機(jī)的DOC效率更高。通過(guò)適當(dāng)?shù)臉?biāo)定，發(fā)動(dòng)機(jī)可以將顆粒排放保持在與傳統(tǒng)加熱方式相當(dāng)?shù)乃健?/p>

6 結(jié)論和展望

本文介紹的試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了可氣門(mén)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)iEGR和EIVC有效的主動(dòng)廢氣溫度管理。在所研究的城市行駛循環(huán)試驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)，采取了主動(dòng)廢氣溫度管理措施的發(fā)動(dòng)機(jī)比未采用加熱措施的基本型發(fā)動(dòng)機(jī)，其N(xiāo)Ox 排放值可降低41.5%，其中采用可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)加熱措施的SEVL和SEVL+EIVC與IAT和PoI相組合的加熱方式，相較于采用IAT 和PoI的傳統(tǒng)加熱方式，其節(jié)油效率進(jìn)一步提高了4.4%。這表明為了滿(mǎn)足未來(lái)法規(guī)排放限值要求，特別是在保持溫度運(yùn)行時(shí)，SEVL與EIVC相組合是1種有效的措施。

試驗(yàn)結(jié)果表明，廢氣后處理方案需要1套組合系統(tǒng)來(lái)確保系統(tǒng)可在所有行駛狀況下滿(mǎn)足未來(lái)法規(guī)排放限值要求，這個(gè)方案包括降低NOx 原始排放的發(fā)動(dòng)機(jī)措施、主動(dòng)廢氣溫度管理和高效的廢氣后處理系統(tǒng)。其中，可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)的加熱策略將在發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)油方面作出重要的貢獻(xiàn)。